Nature Genetics｜豇豆馴化與改良的基因組選擇特征研究

2024年4月22日，浙江省農業(yè)科學院李國景研究員團隊與浙江大學張明方教授團隊合作的豇豆基因組研究成果以“Differential selection of yield and quality traits has shaped genomic signatures of cowpea domestication and improvement”為題，在國際遺傳學頂級期刊Nature Genetics（IF：30.8）上在線發(fā)表，百邁客生物參與了其中的測序和部分分析工作。文章通過三代PacBio HiFi數據成功構建了1個糧用豇豆和1個菜用豇豆的高質量基因組，并對全世界收集的344份核心種質進行重測序，揭示了豇豆馴化和改良的基因組選擇印跡，闡明了豇豆產量和品質協(xié)同提升的遺傳機制。

研究背景

豇豆（Vigna unguiculata L. Walp., 2n = 2x = 22）起源于非洲，在世界范圍內作為糧食、蔬菜或牲畜飼料種植。馴化豇豆已形成兩個主要栽培亞種：非洲的糧用豇豆和亞洲的菜用豇豆。這兩個亞種在許多重要的農藝性狀上差異很大，如莢長（PL）、單莢粒數（GNP）和營養(yǎng)品質等。

之前的研究已經報道了一些控制豇豆馴化與改良性狀的QTLs，如裂莢性（PS）、PL、莢果品質和種子大小等。然而，與亞種馴化相關的全基因組選擇特征尚不清楚。盡管高質量的糧用豇豆基因組已經發(fā)布，但由于高質量菜用豇豆基因組信息的缺乏，闡明不同豇豆亞種馴化和改良的遺傳機制仍存在嚴重的阻礙。因此，全面解析豇豆基因組可以為不同亞種的馴化與改良提供見解，并為其育種改良提供重要的基因組資源。

材料方法

Denovo：

菜用豇豆G98，Illumina：107.99x；PacBio HiFi：49.36x；Hi-C：73.88Gb

糧用豇豆G323，Illumina，121.57x；PacBio HiFi：41.82x；Hi-C：68.64Gb

重測序：

344份全世界收集的豇豆核心種質，其中包括342份栽培豇豆（87份糧用豇豆、244份菜用豇豆和11份未知用途豇豆）和2份野生豇豆；Illumina測序，10x深度

基因單倍型驗證：

菜用豇豆地方品種 ‘ZN016’ 和菜用豇豆育成品種‘Zhijiang282構建的RIL群體（183 lines）

G98和G323構建的F2群體（165 individuals）

研究結果

• 豇豆基因組的構建

該研究選擇了長莢菜用豇豆（G98）和抗病性強的糧用豇豆（G323）進行基因組Denovo。K-mer預估G98和G323的基因組大小分別為623.16Mb和597.42Mb，最終組裝的基因組大小分別為568.24Mb（scaffold N50 = 49.41Mb）和552.66Mb（scaffold N50 = 49.35Mb）。二代回比率（G98：99.19%；G323：99.69%）、CEGMA（98%）、BUSCO（95%）和Merquery（G98：44.48；G323：47.17）評估表明本次構建了2個高質量的染色體水平豇豆基因組。

G98和G323分別預測到33,159和33,222個蛋白編碼基因，重復序列占基因組的56.97%（G98）和55.25%（G323），以Gypsy的長末端重復反轉錄轉座子（LTRs）為主，分別占基因組的17.19%（G98）和18.72（G323）。

• 豇豆的系統(tǒng)進化與SVs

對25個物種進行系統(tǒng)進化樹分析顯示豇豆與赤小豆（V. angularis）和綠豆（V. radiata）親緣關系較近，它們的分化時間大約在6-27百萬年前（圖2a），這與之前的報道一致。基因家族分析發(fā)現G98中有512個家族發(fā)生了顯著擴張，這些擴張的基因家族在參與膜組織的鞘糖脂代謝途徑顯著富集，可能與菜用豇豆的豆莢發(fā)育相關。相反，G323擴張基因在氨基酸糖和核苷酸糖代謝、硫代葡萄糖苷-谷氨酰水解酶和半乳糖代謝等能量產生和轉化途徑中顯著富集（圖2b, c），這可能與糧用豇豆更高的碳水化合物積累和防御反應有關。

作者以G323為參考基因組，對2個基因組進行變異檢測，在G98上共發(fā)現2,219,947個SNPs，其中38,420個SNPs可能引起基因功能的改變；發(fā)現407,119個InDels，其中62.50%的可能引起蛋白編碼的改變；另外，發(fā)現13,541個SVs（包括963個TRANS，74個INVS，3,701個DUPs，7,112個PAVs和1,691個CNVs）。

值得注意的是，作者發(fā)現了5個較大的SV區(qū)域（> Mb）（圖2d, f）。Chr1包含一個7.5 Mb的INV和多個相鄰的TRANS，分別包含61個和31個基因（圖2d）。Chr6包含一個4.73 Mb的INV區(qū)和一個5.14 Mb的INV區(qū)，包含兩個INVs，兩個DUPs和兩個TRANS。這兩個區(qū)域分別包含42和52個基因（圖2e）。Chr10含有最大的一個INV，共包含224個基因（圖2f）。在其余染色體上共檢測到13個其它SV區(qū)域。

• 豇豆亞種的種群結構與分化

作者進一步對全世界收集的344份豇豆核心種質進行重測序，PCA分析將其劃分為2個聚類（圖3a），主要由糧用豇豆（cluster I）和菜用豇豆（cluster II）組成。利用菜豆作為外群，系統(tǒng)發(fā)育樹將其劃分為以糧用豇豆（G）、菜用豇豆地方品種（VL）和菜用豇豆育成品種（VC）為中心的3個類群（圖3b）。群體結構分析也支持了PCA和系統(tǒng)發(fā)育樹的結果（圖3b）。

對三個亞群的核苷酸多樣性（π）和群體差異（Fst）進行分析（圖3c）。G組（π = 0.0007）核苷酸多樣性顯著高于VL組（π = 0.00047）和VC組（π = 0.00024）。G-VC（0.1903）和G- VL（0.0924）的FST值均高于VC-VL（0.0498）。此外，與VL和VC組相比，該組的連鎖不平衡衰減更快，表明糧用豇豆的遺傳重組程度更高（圖3d）。

• 豇豆馴化與改良的基因組特征

為了研究自然或人工選擇對豇豆分化的影響，作者通過選擇清除分析比較了三個豇豆亞群之間的基因組選擇特征，鑒定出239個與豇豆馴化和改良相關的基因。

進一步結合GWAS分析，共鑒定出與嫩莢總淀粉含量（PTS）、籽?？偟矸酆浚⊿TS）、單莢籽粒數（GNP）、嫩莢可溶性糖含量（PSS）和莢長（PL）相關的18個受選擇的區(qū)域。裂莢性（PS）是最顯著的馴化性狀之一，在SNP-GWAS和InDel-GWAS中均監(jiān)測到相關位點。其中一個PS位點（PS-3.2）在344份材料中存在2個單倍型，Hapll材料的裂莢率更高（48%）（圖4b）；另外3個PS位點（PS-3.3, PS-4.2, PS-10.3）的不同單倍型之間的裂莢率差異很小。在G和VL的馴化掃描中發(fā)現了6個PS相關位點 （圖4a），解釋了這兩個亞種之間PS抗性的差異。基因表達分析發(fā)現，大多數裂莢相關候選基因在G型豇豆和V型豇豆莢間的表達模式不同，表明基因的表達可能與PS呈正相關。該發(fā)現將為提高豇豆耐裂莢性提供理論基礎。

• 豇豆的產量與品質變異

產量相關基因和品質相關基因在3個亞群體（G、VL和VC）中的多態(tài)性和分布揭示了豇豆表型分化的遺傳基礎。莢長（PL）、單莢粒數（GNP）和千粒重（TSW）是影響豇豆產量的重要因素，G亞群的PL通常比VL和VC亞群的PL短得多（圖5a）。GWAS分析挖掘到與這3個性狀相關的位點和候選基因，并對候選基因單倍型及其表達分析，發(fā)現PL差異可能是由于VuPL1-HapII 和 VuPL4-HapI （圖5b） 在豇豆馴化和改良過程中強烈選擇引起的。在重組自交系（RIL）群體中進一步驗證了VuPL1和VuPL4的功能，發(fā)現VuPL1似乎比VuPL4在該群體中具有更強的作用。同時基因表達分析發(fā)現WAKs基因可能以劑量/轉錄依賴的方式導致PL差異。糧用豇豆的GNP也通常比菜用豇豆的低，可能是VuGNP2-HapIII這一有利單倍型引起的（圖5e）。TSW則可能與VuTSW1和VuTSW2基因的有利單倍型有關（圖5f），其功能也分別在RIL群體和F2群體中得到進一步驗證。

可溶性糖、總淀粉和粗蛋白質含量是豆科作物的三個基本品質性狀。GWAS分析檢測到三個信號與嫩莢可溶性糖含量（PSS）顯著相關（圖6a），其中VuPSS1可能是功能相關基因，VuPSS2可能通過其順式調控元件影響PSS含量，VuPSS3-HapIV單倍型是PSS的有利單倍型。嫩莢粗蛋白含量（PCP）差異可能與有利單倍型VuPCP1-HapII和VuPCP2-HapI有關。籽?？扇苄蕴牵⊿SS）含量相關的信號（圖6e）包含一個FAR1-related SEQUENCE （FAR1）家族蛋白（VuSSS1），FAR1在淀粉合成以及糖的運輸和降解中起作用，VuSSS1-HapI為其有利單倍型（圖6f）。VuSCP2-HapIII和VuSCP2-HapIV通常導致更高的籽粒粗蛋白含量（SCP），VuSCP1和VuSCP2相似的表達模式提示它們可能影響種子發(fā)育中期的SCP表型。籽?？偟矸酆浚⊿TS）GWAS分析檢測到5個相關信號（圖6i），STS-2.1中的VuSTS2含有一個MYB轉錄因子，STS-11.1中的VuSTS5編碼一個磷脂酰絲氨酸脫羧酶，該酶可能影響植物發(fā)育的關鍵調節(jié)因子磷脂酰絲氨酸。兩種基因的不同單倍型在兩種環(huán)境中表現出不同的STSs，這表明它們在很大程度上受環(huán)境條件的影響（圖6j）。STS-3.1中的VuSTS3編碼了一個未知的蛋白，其中VuSTS3-HapIII對STS的影響最大。STS-6.1含有一個NAD依賴性蛋白去乙酰化酶VuSTS4，可能影響淀粉的生物合成和調控，而VuSTS4-HapI對STS的作用更強。以上結果有潛力成為糧用豇豆和菜用豇豆產量和品質改善的遺傳資源。

研究總結

本研究結合PacBio、Hi-C和二代測序，組裝了糧用豇豆和菜用豇豆的染色體水平基因組。對包括地方品種、野生品種和育成品種的344個材料進行二代測序，以闡明豇豆基因組的系統(tǒng)進化。此外，還進行了全基因組關聯分析（GWAS），確定關鍵產量和品質性狀相關基因。該研究揭示了兩個亞種之間基因組結構變異（SVs）的全圖譜，為豇豆在全基因組選擇下的馴化與改良提供了見解。產量性狀和品質性狀的差異基因組選擇將有助于建立糧用豇豆和菜用豇豆雙向改良的遺傳資源。